JP2743638B2 - 高靭性窒化珪素系複合焼結体およびその製造方法 - Google Patents
高靭性窒化珪素系複合焼結体およびその製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、自動車部品や耐摩工具
等に使用される構造用セラミックス材料に関し、特にこ
の分野において優れた機能を有する窒化珪素セラミック
スの高靱性化および高強度化に関するものである。
等に使用される構造用セラミックス材料に関し、特にこ
の分野において優れた機能を有する窒化珪素セラミック
スの高靱性化および高強度化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化珪素は強度、破壊靱性、耐食性、耐
摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性等においてバランスのと
れた材料であり室温、さらに高温における構造部材用エ
ンジニアリングセラミックスとして最近注目を集めてい
る。しかしながら、自動車部品等のように材料に対し高
い信頼性と安定性が要求される分野に窒化珪素セラミッ
クスを使用していくには破壊靱性をさらに向上させてそ
の脆さを克服しかつ強度向上を図ることが必要不可欠で
ある。従来、破壊靱性を向上させる技術として、たとえ
ば特公昭６２−２６５１７３号公報に示されるように窒
化珪素マトリックスに炭化珪素ウイスカーを複合、分散
させる方法がある。この方法によれば、破壊の際に進展
する亀裂がウィスカーによってディフレクションした
り、ウィスカーの引き抜きや架橋が起こることにより破
壊靱性が向上すると考えられている。しかしウィスカー
複合により破壊靱性は向上するが、逆に、添加したウィ
スカーのサイズが１〜１０μｍのオーダーである上にそ
の凝集を機械的に完全に取り除くことは事実上困難であ
り、これが粗大粒として破壊起点となるため材料強度を
低下させる。
摩耗性、耐熱衝撃性、耐酸化性等においてバランスのと
れた材料であり室温、さらに高温における構造部材用エ
ンジニアリングセラミックスとして最近注目を集めてい
る。しかしながら、自動車部品等のように材料に対し高
い信頼性と安定性が要求される分野に窒化珪素セラミッ
クスを使用していくには破壊靱性をさらに向上させてそ
の脆さを克服しかつ強度向上を図ることが必要不可欠で
ある。従来、破壊靱性を向上させる技術として、たとえ
ば特公昭６２−２６５１７３号公報に示されるように窒
化珪素マトリックスに炭化珪素ウイスカーを複合、分散
させる方法がある。この方法によれば、破壊の際に進展
する亀裂がウィスカーによってディフレクションした
り、ウィスカーの引き抜きや架橋が起こることにより破
壊靱性が向上すると考えられている。しかしウィスカー
複合により破壊靱性は向上するが、逆に、添加したウィ
スカーのサイズが１〜１０μｍのオーダーである上にそ
の凝集を機械的に完全に取り除くことは事実上困難であ
り、これが粗大粒として破壊起点となるため材料強度を
低下させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、従来はウィス
カ−を添加したり窒化珪素を粒成長させて大きな柱状晶
の存在によって破壊靱性を向上させており、その結果、
事実上欠陥のサイズを大きくしてしまい強度が低下する
ため、強度・靱性を同時に向上させることは困難であっ
た。そのため、窒化珪素マトリックスが粗大粒を含まな
い均一微細粒で構成された組織において強度と靱性向上
の両立を図るか、あるいは粗大粒が存在してもそれが欠
陥とならないようにすることによって強度低下を抑制す
ることが課題であった。
カ−を添加したり窒化珪素を粒成長させて大きな柱状晶
の存在によって破壊靱性を向上させており、その結果、
事実上欠陥のサイズを大きくしてしまい強度が低下する
ため、強度・靱性を同時に向上させることは困難であっ
た。そのため、窒化珪素マトリックスが粗大粒を含まな
い均一微細粒で構成された組織において強度と靱性向上
の両立を図るか、あるいは粗大粒が存在してもそれが欠
陥とならないようにすることによって強度低下を抑制す
ることが課題であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、窒化珪素１０
〜９０％および残部が酸窒化珪素および粒界相から構成
される母相中の窒化珪素および／又は酸窒化珪素粒子中
に窒化チタンが分散相として分布していることを特徴と
する高靱性窒化珪素系複合焼結体である。かかる複合焼
結体は非晶質の窒化珪素と酸化チタンを混合したのち、
窒素雰囲気下１３００〜１８００℃で１〜１００時間熱
処理して反応させることにより、窒化チタンと窒化珪素
および／又は酸窒化珪素の複合微粉末を得、該複合微粉
末に焼結助剤を添加し、予備成形した後に１５００〜１
９００℃で２〜１０時間焼成することによって製造する
ことができる。焼結助剤としてはイットリア、アルミ
ナ、窒化アルミニウム、マグネシアのうち、少なくとも
１種以上を用いる。
〜９０％および残部が酸窒化珪素および粒界相から構成
される母相中の窒化珪素および／又は酸窒化珪素粒子中
に窒化チタンが分散相として分布していることを特徴と
する高靱性窒化珪素系複合焼結体である。かかる複合焼
結体は非晶質の窒化珪素と酸化チタンを混合したのち、
窒素雰囲気下１３００〜１８００℃で１〜１００時間熱
処理して反応させることにより、窒化チタンと窒化珪素
および／又は酸窒化珪素の複合微粉末を得、該複合微粉
末に焼結助剤を添加し、予備成形した後に１５００〜１
９００℃で２〜１０時間焼成することによって製造する
ことができる。焼結助剤としてはイットリア、アルミ
ナ、窒化アルミニウム、マグネシアのうち、少なくとも
１種以上を用いる。
【０００５】本発明により得られる焼結体は、母相が窒
化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）と酸窒化珪素（Ｓｉ2Ｎ2Ｏ）とが混
在した組織を有し、窒化珪素および／又は酸窒化珪素粒
子の内部に窒化チタンが分散しており、窒化チタンの粒
径は１〜１０００ｎｍ、体積率が０．１〜５０％であ
る。又、窒化珪素についてはその結晶粒の平均粒径が短
軸径３μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下であり、ア
スペクト比が２０以下、好ましくは１０以下の粒状晶お
よび／又は１μｍ以下の等軸晶からなり、酸窒素化珪素
についてはその平均粒径が５μｍ以下であるとよい。こ
のような構造をもつ焼結体は、窒化珪素と酸窒化珪素が
混在しているため破壊靱性が改善できると同時に、窒化
チタンが母相粒内へ複合分散していることにより、さら
に強度と靱性を改善することができる。
化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）と酸窒化珪素（Ｓｉ2Ｎ2Ｏ）とが混
在した組織を有し、窒化珪素および／又は酸窒化珪素粒
子の内部に窒化チタンが分散しており、窒化チタンの粒
径は１〜１０００ｎｍ、体積率が０．１〜５０％であ
る。又、窒化珪素についてはその結晶粒の平均粒径が短
軸径３μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下であり、ア
スペクト比が２０以下、好ましくは１０以下の粒状晶お
よび／又は１μｍ以下の等軸晶からなり、酸窒素化珪素
についてはその平均粒径が５μｍ以下であるとよい。こ
のような構造をもつ焼結体は、窒化珪素と酸窒化珪素が
混在しているため破壊靱性が改善できると同時に、窒化
チタンが母相粒内へ複合分散していることにより、さら
に強度と靱性を改善することができる。
【０００６】
【作用】非晶質状態の窒化珪素は結晶に比べて熱力学的
に準安定状態であり他の金属イオンの固体内への侵入固
溶に対し活性であり、また固体内での金属イオンの拡散
速度も結晶に比べて大きいと考えられる。非晶質窒化珪
素と酸化チタンを混合した後窒素中１３００〜１８００
℃の範囲で熱処理を行うと窒化珪素粒子の内部へチタン
イオン及び酸素イオンが侵入固溶し始め窒化珪素の固体
内を拡散する。１３００〜１５００℃では経過時間とと
もに窒化珪素母相は非晶質のままであるが固溶したチタ
ンイオンは窒化チタンとしてまた酸素イオンは酸窒化珪
素として相分離して結晶化させることができる。１５０
０〜１８００℃では窒化珪素の結晶化にともなって窒化
チタンと酸窒化珪素が相分離・結晶化する。このように
して得られた粉末は平均粒径１〜５００ｎｍの範囲内の
微細な窒化チタンが均一に分布した複合粉末であること
を特徴とする。熱処理温度は、１３００℃未満ではチタ
ンイオン、酸素イオンの窒化珪素の侵入固溶が起こら
ず、また１８００℃を超えると窒化珪素の昇華、粉末の
凝集が著しくなるため好ましくない。熱処理時間は１時
間以下だと侵入固溶が完了せず１００時間以上だと窒化
チタン、酸窒化珪素および窒化珪素粒子の粗大化が起こ
るため、１〜１００時間が好ましい。この複合粉末を焼
結助剤を加えて焼成すると焼結中に微細な窒化チタンを
核としてそのまわりに窒化珪素および／又は酸窒化珪素
が粒成長し、窒化珪素および／又は酸窒化珪素粒子の内
部に窒化チタンの粒子が分散した焼結体を得ることが出
来る。該焼結体は、母相が窒化珪素と酸窒化珪素の複合
組織となっており、これによって破壊靱性が改善でき
る。窒化珪素に対する酸窒化珪素の割合は非晶質窒化珪
素に添加する酸化チタン中の酸素の量によって変化させ
ることができる。母相中の窒化珪素の体積率は１０〜９
０ｖｏｌ％の範囲内がよく、この範囲外では複合効果が
発揮されないので好ましくない。さらに該焼結体には母
相の粒内に熱膨張係数の大きな窒化チタン粒子が分散す
ることにより焼結温度から室温への冷却時に母相結晶粒
に熱膨張係数のミスマッチによる残留圧縮応力が発生す
る。破壊の際、亀裂先端部分にこの応力場がかかること
により亀裂発生及び進展抵抗が増大し破壊靱性が向上す
る。また窒化チタンがナノメーターオーダーで粒内分散
しているので欠陥サイズが増大しないため、破壊靱性の
向上は強度の向上に反映される。さらに母相粒内の窒化
チタン粒子のまわりの応力場によって歪が発生し窒化チ
タンを中心に母相粒内の転位の移動が促進され転位面が
サブ粒界を形成してみかけ上母相粒子が微細化し強度が
向上する。窒化チタン粒子の粒径は大きすぎると残留圧
縮応力による窒化珪素および／または酸窒化珪素結晶粒
強化の効果が低下するので１０００ｎｍ以下が好ましく
下限は原子状で格子間に固溶している状態になる手前の
１ｎｍがよい。分散量は少なすぎると複合効果が発揮さ
れず多すぎても窒化チタン粒子同士の合体が起きてしま
うので０．１〜５０ｖｏｌ％が好ましく特に５〜２０ｖ
ｏｌ％が好ましい。このように、本発明は粒界および粒
内複合効果により強度および破壊靱性を同時に向上させ
ることができる。なお、ここで述べた窒化チタンは化学
量論組成でもなく、又、Ｏ、Ｃ等の軽元素を固溶した化
合物である。
に準安定状態であり他の金属イオンの固体内への侵入固
溶に対し活性であり、また固体内での金属イオンの拡散
速度も結晶に比べて大きいと考えられる。非晶質窒化珪
素と酸化チタンを混合した後窒素中１３００〜１８００
℃の範囲で熱処理を行うと窒化珪素粒子の内部へチタン
イオン及び酸素イオンが侵入固溶し始め窒化珪素の固体
内を拡散する。１３００〜１５００℃では経過時間とと
もに窒化珪素母相は非晶質のままであるが固溶したチタ
ンイオンは窒化チタンとしてまた酸素イオンは酸窒化珪
素として相分離して結晶化させることができる。１５０
０〜１８００℃では窒化珪素の結晶化にともなって窒化
チタンと酸窒化珪素が相分離・結晶化する。このように
して得られた粉末は平均粒径１〜５００ｎｍの範囲内の
微細な窒化チタンが均一に分布した複合粉末であること
を特徴とする。熱処理温度は、１３００℃未満ではチタ
ンイオン、酸素イオンの窒化珪素の侵入固溶が起こら
ず、また１８００℃を超えると窒化珪素の昇華、粉末の
凝集が著しくなるため好ましくない。熱処理時間は１時
間以下だと侵入固溶が完了せず１００時間以上だと窒化
チタン、酸窒化珪素および窒化珪素粒子の粗大化が起こ
るため、１〜１００時間が好ましい。この複合粉末を焼
結助剤を加えて焼成すると焼結中に微細な窒化チタンを
核としてそのまわりに窒化珪素および／又は酸窒化珪素
が粒成長し、窒化珪素および／又は酸窒化珪素粒子の内
部に窒化チタンの粒子が分散した焼結体を得ることが出
来る。該焼結体は、母相が窒化珪素と酸窒化珪素の複合
組織となっており、これによって破壊靱性が改善でき
る。窒化珪素に対する酸窒化珪素の割合は非晶質窒化珪
素に添加する酸化チタン中の酸素の量によって変化させ
ることができる。母相中の窒化珪素の体積率は１０〜９
０ｖｏｌ％の範囲内がよく、この範囲外では複合効果が
発揮されないので好ましくない。さらに該焼結体には母
相の粒内に熱膨張係数の大きな窒化チタン粒子が分散す
ることにより焼結温度から室温への冷却時に母相結晶粒
に熱膨張係数のミスマッチによる残留圧縮応力が発生す
る。破壊の際、亀裂先端部分にこの応力場がかかること
により亀裂発生及び進展抵抗が増大し破壊靱性が向上す
る。また窒化チタンがナノメーターオーダーで粒内分散
しているので欠陥サイズが増大しないため、破壊靱性の
向上は強度の向上に反映される。さらに母相粒内の窒化
チタン粒子のまわりの応力場によって歪が発生し窒化チ
タンを中心に母相粒内の転位の移動が促進され転位面が
サブ粒界を形成してみかけ上母相粒子が微細化し強度が
向上する。窒化チタン粒子の粒径は大きすぎると残留圧
縮応力による窒化珪素および／または酸窒化珪素結晶粒
強化の効果が低下するので１０００ｎｍ以下が好ましく
下限は原子状で格子間に固溶している状態になる手前の
１ｎｍがよい。分散量は少なすぎると複合効果が発揮さ
れず多すぎても窒化チタン粒子同士の合体が起きてしま
うので０．１〜５０ｖｏｌ％が好ましく特に５〜２０ｖ
ｏｌ％が好ましい。このように、本発明は粒界および粒
内複合効果により強度および破壊靱性を同時に向上させ
ることができる。なお、ここで述べた窒化チタンは化学
量論組成でもなく、又、Ｏ、Ｃ等の軽元素を固溶した化
合物である。
【０００７】
【実施例】窒化珪素粉末１００ｇに対し表１のように酸
化チタン粉末をそれぞれ分散量に応じて混合し窒素中１
３００〜１８００℃で１〜１００時間熱処理した。得ら
れた複合粉末に焼結助剤（Ｙ2Ｏ3５ｗｔ％−Ａｌ2Ｏ3５
ｗｔ％）を添加し予備成形した後に窒素中で１５００〜
１９００℃で２から１０時間焼成した。表１に配合組成
と熱処理条件および熱処理後の複合粉末中の窒化チタン
の平均粒径を、表２に焼成条件、焼結体の構造と機械的
特性値を示した。
化チタン粉末をそれぞれ分散量に応じて混合し窒素中１
３００〜１８００℃で１〜１００時間熱処理した。得ら
れた複合粉末に焼結助剤（Ｙ2Ｏ3５ｗｔ％−Ａｌ2Ｏ3５
ｗｔ％）を添加し予備成形した後に窒素中で１５００〜
１９００℃で２から１０時間焼成した。表１に配合組成
と熱処理条件および熱処理後の複合粉末中の窒化チタン
の平均粒径を、表２に焼成条件、焼結体の構造と機械的
特性値を示した。
【０００８】
【表１】
【０００９】
【表２】
【００１０】
【発明の効果】本発明により、強度・破壊靱性ともに優
れた窒化珪素セラミックスを得ることができ、高強度・
高靱性が要求される自動車部品をはじめとする各種構造
用部材への利用が期待できる。
れた窒化珪素セラミックスを得ることができ、高強度・
高靱性が要求される自動車部品をはじめとする各種構造
用部材への利用が期待できる。
Claims (4)
- 【請求項１】 窒化珪素１０〜９０％（ｖｏｌ％、以下
同じ）および残部が酸窒化珪素および粒界相から構成さ
れる母相中の窒化珪素および／又は酸窒化珪素粒子中に
窒化チタンが分散相として分布していることを特徴とす
る高靱性窒化珪素系複合焼結体。 - 【請求項２】 窒化チタンの粒径が１〜１０００ｎｍ、
体積率が０．１〜５０％である請求項１記載の高靱性窒
化珪素系複合焼結体。 - 【請求項３】 非晶質の窒化珪素と酸化チタンを混合し
たのち、窒素雰囲気下１３００〜１８００℃で１〜１０
０時間熱処理して反応させることにより、窒化チタンと
窒化珪素および／又は酸窒化珪素の複合微粉末を得、該
複合微粉末に焼結助剤を添加し、予備成形した後に１５
００〜１９００℃で２〜１０時間焼成することを特徴と
する高靱性窒化珪素系複合焼結体の製造方法。 - 【請求項４】 複合微粉末の窒化チタンの平均粒径が１
〜５００ｎｍである請求項３記載の高靱性窒化珪素系複
合焼結体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3204306A JP2743638B2 (ja) | 1991-08-14 | 1991-08-14 | 高靭性窒化珪素系複合焼結体およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3204306A JP2743638B2 (ja) | 1991-08-14 | 1991-08-14 | 高靭性窒化珪素系複合焼結体およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0543327A JPH0543327A (ja) | 1993-02-23 |
| JP2743638B2 true JP2743638B2 (ja) | 1998-04-22 |
Family
ID=16488301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3204306A Expired - Fee Related JP2743638B2 (ja) | 1991-08-14 | 1991-08-14 | 高靭性窒化珪素系複合焼結体およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2743638B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01179761A (ja) * | 1988-01-07 | 1989-07-17 | Hitachi Metals Ltd | 導電性窒化珪素焼結体 |
-
1991
- 1991-08-14 JP JP3204306A patent/JP2743638B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0543327A (ja) | 1993-02-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
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| R350 | Written notification of registration of transfer |
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